（电路与系统专业论文）自动光学检测系统在SMT中的应用[电路与系统专业优秀论文].pdf

中文摘要 摘要：早期的p c b 生产中，对产品的检测主要由人工目检结合电检测来完成的。 随着电子技术的发展，p c b 布线密度不断提高，人工目检难度增大，误判率增高， 且对检测者的健康损害加大；电检测程序编制烦琐，成本高，并且无法检测某些 类型的缺陷，因此，对a o i 系统在s m t 领域应用的进一步研究，不但具有重要的 学术意义，而且具有重要的使用价值。 a o i 系统在s m t 中的应用主要包括以下三个方面：图像的捕获、图像预处理 和特征提取、特征值判断。本文主要是围绕这几个方面对a o i 的软硬件进行研究： 1 研究分析了国内外a o i 技术发展的现状，在此基础上比较各种运动控制器 的优势和劣势，提出了a r m + d s p 嵌入式运动控制器作为主处理平台的设计方案。 2 深入研究了边缘检测的各种算法，采用了o p e n c v 的边缘检测算法，并对 此算法进行了优化，使c a n n y 算法的高低阈值具有自适应性。 3 深入研究了图像信息的获取，包括摄像头和主处理器之间的接u 问题，以 及摄像头驱动的开发。 4 对s m t 焊接中常出现的桥接、卒焊、元器件偏移、产生锡球等缺陷，成 功应用a o i 技术进行处理。 实验结果表明，文巾的方案是可行的。嵌入式运动控制器，在功耗、运算速 度、体积上都具有明显的优势，特别适合于工业生产环境。o p e n c v 边缘检测算法， 以及对该算法的优化，能使当前世界领先的机器视觉处理算法，及时的应用在生 产实际中。 关键词：a o i ：a r m ；d s p ：嵌入式运动控制器；o p e n c v 分类号：t p 3 9 1 4 a b s t r a c t a b s t r a c t ：d u r i n gt h ee a r l ys t a g eo fp c bp r o d u c t i o n ，t h et e s t i n gi sm a i n l yd o n eb y t h ea r t i f i c i a ld e t e c tw i t ht h ep o w e r w i t ht h ed e v e l o p m e n to f e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , p c b w i r i n gd e n s i t yi n c r e a s e sc o n t i n u o u s l y t h ed i f f i c u l t yf o rt h ea r t i f i c i a ld e t e c ta l s o i n c r e a s e sw i t hh i g h e rr a t eo fm i s c a r r i a g eo fj u s t i c ea n dm o r eh a r mt o t h ed e t e c t o r ，s h e a l t h t h ep r o g r a m m i n go fe l e c t r i c i t yd e t e c t i o nb e c o m e sm o r ec u m b e r s o m ea l l d e x p e n s i v e b e s i d e s ，i ti sn o ta b l et od e t e c tc e r t a i nt y p e s t h e r e f o r e ，s t u d y i n go na o ii s h a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c en o to n l yo ns c i e n c eb u ta l s oo n p r a c t i c a l a u t o m a t e do p t i c a li n s p e c t i o ns y s t e mi nt h ea p p l i c a t i o no fs m t i sc o m p o s e do f t h r e ep a r t s ，w h i c ha r ei m a g ec a p t u r e ，i m a g ep r e p r o c e s s i n ga n df e a t u r ee x t r a c t i o n 。a n d f e a t u r ed e t e r m i n a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o nd e a l sw i t ht h e s ek e yp r o b l e m si nh a r d w a r ea n d s o f t w a r eo fa o i ，a n dp r e s e n t e ds o m en e w i d e a s ，a p p r o a c h e sa n dc o m et os o m ev a l u a b l e r e s u l t s ： f i r s t l y , b a s e do nt h er e s e a r c ha n da n a l y s i so ft h ec u r r e n ta o i t e c h n o l o g ya n dt h e p r e s e n ta d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fd i f f e r e n tm o t i o nc o n t r o l l e r , t h et h e s i sp r o p o s e s d e s i g no fe m b e d d e dm o t i o nc o n t r o l l e rw i t ha r m + d s pa st h em a i np r o c e s s i n gp l a t f o r m s e c o n d l y , a i m e da tt h ef u l lu s eo fa v a i l a b l er e s o u r c e sb o t ha th o m ea n da b r o a d a n dt h er e d u c t i o no fd e v e l o p i n gc o s t s ，t h et h e s i sa d o p t s e d g ed e t e c t i o na l g o r i t h mi n o p e n c va n do p t i m i z e st h ea l g o r i t h m ，m a k i n gi tm o r ec o n v e n i e n tf o ra p p l i a n c e t h i r d l y , t h et h e s i sm a k e sad e e pr e s e a r c ho fa n o t h e rm a i np a r to fa 0 1w h i c h o b t a i ni m a g ei n f o r m a t i o no ft h ed e t e c t e do b j e c t ，i n c l u d i n gt h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h e c a m e r aa n dc p u ，a n dt h ec a m e r ad r i v e r f i n a l l y , t h ed e f e c t so f t e no c c u r r e di ns m t s o l d e r i n ga r ed e a l tw i t hs u c c e s s f u l l y b ya o it e c h n o l o g y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w st h a te m b e d d e dc o n t r o l l e ra st h em a i np r o c e s s i n g p l a t f o r mc o m b i n e dw i t he d g ed e t e c t i o na l g o r i t h mi no p e n c vi sp a r t i c u l a r l ys u i t a b l ef o r t h ee n v i r o n m e n to fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n t h e e d g ed e t e c t i o na l g o r i t h mi no p e n c va n d i t so p t i m i z a t i o nc a nm a k et h ew o r l d sl e a d i n gd i g i t a li m a g e p r o c e s s i n ga l g o r i t h m sa p p l y t i m e l yt op r a c t i c a lp r o d u c t i o n k e y w o r d s ：a o i ；a r m ；d s p ；e m b e d d e dm o t i o nc o n t r o l l e r ；o p e n c v c l a s s n o ：t p 3 9 1 - 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 4 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 一魏三负辰 签字日期：2 , 0 0 弓年_ 7 月日 导师签名： 嘶事 签字日期：年月日 致谢 在论文即将完成之际，我深深地感谢我的导师陈后金教授，在学术上给予我 的悉心指导，并提供了很好的工作和学习环境以及实践锻炼机会。陈老师渊博的 学识，严谨求实的治学态度和实事求是的工作作风，是我永远应该学习和追求的， 并将在以后的工作和生活中激励着我奋进。在此，谨向两年来培养、帮助和关怀 我的导师致以由衷的敬意和诚挚的谢意。 刘颖教授、侯建军教授、刘任平教授在百忙之中，对于我的科研工作和论文 都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，刘晓彤、李文勇等同学对我论文的写作给予 了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 特别感谢好友张晋芳、何克之、梁立中、唐宇希、李雅静、赵琛在生活和学 习中给予我的关心和帮助，很高兴有缘认识你们。 谨向我的父母表示最深最真的感谢，是他们在我漫长的学业生涯中，不断给 予我无微不至的关怀和鼓励，给予我战胜困难的勇气和力量，感谢他们为我所做 的一切。 最后，感谢我所有在硕士学习期间给予我帮助和支持的师长和朋友们。 l 引言 1 1研究背景 在激烈的市场竞争中，电子产品加工厂商必须保证产品的质量，为了确保产 品的质量，在产品制造过程中对各个生产环节半成品或成品进行质量检测尤为重 要，随着s m t ( s u r f a c e dm o u n t i n gt e c h n o l o g y ，表面组装技术) 中使用的电路板 图形的精细化、s m t 元器件微型化及s m t 组件高密度组装的发展趋势，采用目检 或人工光学检测的方式检测已不能适应，a o i ( a u t o m a t e do p t i c a li n s p e c t i o n ，自动 光学检测) 技术作为s m t 印刷质量检测的技术手段已是大势所趋。自动光学检测 系统是结合机器视觉、照明系统与精密运动控制系统的检测设备，具有非接触、 反映速度快、与检测标准一致等优势。 1 2 研究的意义 a o i 被用s m t 的过程监测工具，其优点包括： 1 检查和纠正p c b 缺陷，过程巾监测的成本远远低于在最终测试和检查之后 进行的成本。 2 能尽早发现重复性错误，如贴装位移或空焊等。 3 为工艺技术人员提供s p c ( s t a t i s t i c sp r o c e s sc o n t r o l ，统计过程控制) 资料。 a o i 技术的统计分析功能与s p c 工艺管理技术的结合为s m t 生产工艺的适时完善 提供了有效的工具【1 1 ，p c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) 装配的次品率进而得到明显的 降低。随着现代制造业规模的扩大，对生产质量的控制越来越重要，对统计过程 控制的需求也不断增长。a o i 系统的应用将越来越显出其重要性。 4 能适应s m t 组装密度进一步提高的要求。随着电子制造产品组装密度的 大幅提高，传统的一些测试技术，如在线测试仪等，已不能适应s m t 技术的发展 要求，0 8 1 5 片式组件的出现已经使i c t 无法检测，而a o i 则不会受这些因素的影 响。 5 测试程序的开发十分迅速。自动化光学检测设备的测试程序可直接由c a d 资料生成。与在线测试仪相比，由于无需制作专门的工具，其测试成本也大幅降 低。 6 能跟上s m t 生产线的生产接凑。目前许多电子厂商在生产过程中对p c b 组件进行检验主要依靠人工检测，但是随着p c b 尺寸的加大和组件数的增多，这 种检测方式已经不堪重负。而a o i 测试目前能做到o 1 秒幅的测试速度，可以满 足在线检测的要求。 7 检测的可靠性比较高。检测的要素是精确性和可靠性，人工目检始终有其 局限性和不确定性，而a o i 测试则避免了这方面的因素，能保持较好的准确性和 可靠性。 1 3国内外发展现状 a o i 在国内生产线现场显得越来越重要，同时其需求和市场也越来越大，中 国的a o i 市场连续5 年以超过6 0 的速度高速成长，到2 0 0 6 年底，其市场规模已 达6 0 亿人民币，占全球市场的约6 0 ；尽管如此，国内有很多企业还没有用上在 线自动检测设备，其潜在的成长空间还十分巨大。从该市场的占有状况来看，日 本企、i k 最早从事a o i 设备研发，在国内，8 0 的市场同样被日本企q k 拥有。其他 剩下的被欧美等企业瓜分，国内企业在在线检测领域还很少【2 j 。 s m t 中应用的a o i 系统，数字图像处理已成为主流，这是由于s m t 中应用 的a o i 系统检查的对像，比如焊接的元器件、焊接的电路板、焊锡是否过多或过 少，待检测的对象种类繁多，并且更新的速度比较快。如果使用预先规定检测规 则的方式，相应的预定的设计规则，并不能保证也能随着检测对象的跟新而及时 跟新。目前数字图像处理的各种算法在a o i 系统中应用都很广泛，本文主要是结 合边缘检测的数字图像处理方法进行设计。 2 扯噩g 通盘堂亟堂鱼监童q ! 挂盔茴盘 2 a o i 技术简介 2 1a o i 的原理 a o i 由照明、摄像头、数字图像处理软件组成，对产品进行快速，精确的检 验。人t 目视检验虽然易丁训练，灵活度大，但是在对产品检验的速度上与精度 上，都不存在优势p j 。机械检测精确度高，但是灵活度不够。 目前的a o i 系统，一秒的时间内可以处理上千万的记录检测数据的像素。一 般的a o ! 系统，可以榆测2 5 微米的缺陷，质量高的甚至能检测到1 微米的缺陷。 a o i 系统典型应用包含以下几个方面： 在汽车制作行业，评估穿孔的直径和圆心： 在模具行业，检测3 d c a d 数据： 在产品的组装过程中榆测零部件是否齐伞： 检测裂缝、裂纹、污点等缺陷： 光学字符识别； 农产品的级别划分，如剩一予和水果等级的判断。 从i - 述应用巾很明显可以看出为了用于榆测物体的瑕疵a o i 系统必颁能 够检测出物体的不同点。在农业方面，a o i 系统可能利用物体的颜色去检测出成 熟的果实。a o i 系统需要设置不同的特征数据，来进行不同方而的检测。下图是 一个典型的a o i 系统的原删图。 图2 i a o i 系统的砸坪目 f i g2 - l a o is y s t e ms c h e m a t i c d i a g r a m 、k孽弋pl、 国荔一净k嘻“娶 些垂至强厶堂亟堂监监g立!拉垄茸盘 在上图中，轴承通过一个齿轮送过来，沿着一个倾斜轨迹滑道移动。滑道限 制轴承币能随意移动。在固定的位置，分段移动进行检测，减少了物体在移动过 程中给测量带来的变化性。减少了图像分析算法复杂度有利于快速的进行检测。 随着轴承的向下移动，会经过一个激光光束，产生一个信号告知中央处理器， 轴承已经进入检测位置。中央处理器随之启动五个摄像头，对轴承的| 墨| 像进行采 集，采集的图像信息实时的传输给中央处理器，由中央处理器对图像信息进行分 析，不合格的轴承会被弹出轨道，台格的轴承就下滑到下一个流程。 光照在a o i 系统中也是具有关键地位，众所周知，a o i 系统必须能看到被检 测的物体，才能采集到相应的图像信息，从而进一步进行分析。除此之外，光照 还可咀对物体需要检测的信息点进行放大， 可日 抑制噪声信息。 2 2a 0 1 分析算法 不同的a o i 系统设计各有特点，但总体来看，其分析、决策的算法可分为2 种，即设计规则检验和图像识别检验。 i 设计规则检验法( d r c ) ”惶按照提前给定的检测规则分析图形。如以所 有连线应以所有引线宽度、间隔不小于菜一规定的值等规则检测p c b 电路图形。 下图是利基于设计规则检验法方法检测图像，在提取p c b 上的焊膏的数字图像 之后，根据其焊盘间隔区域叶1 焊膏形状来判断其是否为桥连，如果按某一敏感度 测得的焊膏形态逾越了预设的警戒线，则被认定为桥连，设计胤m 检验方法具有 可以从设计的算法上保证被检验的图形的正确性，设计规则检验法的a o i 系统制 造容易，算法逻辑容易实现快速处理，编程工作最小，数据占用空间不大等特点， 但该方法检测边界能力较差，往往需要设计特定的方法来确定边界位置。 琦t 悖 口* i 【w 蟓 w 秆w 5 l n 懈 f “ 图2 - 2 设计规则检验法榆铡桥连图像 f i g 2 - 2d r cd e t e c tb r i d g i n gi m a g e 2 图像识别法是将a o i 系统l | 存储的数字化图形与实际检测图像进行比较， 从而扶得检测结果，比如检测p c b 电路时首先按照一个完好的p c b 板或根据计 算机辅助设计模型建立起来的检测文什( 标准数字化罔像) 与检测器件( 实际数 韭垂至道丕芏亟堂世监噩q !芷垄茴盘 字化图像) 进行比较，下图为采用图像识别法对组装后的p c b 进行的质量检测， 这种方式的检测精度取决于完好的图像、分辨能力和所用的检测程序，可以取得 较高的检测精度，但具有采集数据量比较大，数据实时处理能力要求高等特点， 由于幽像识别法用设计数据代替d r c 中的设计原则，具有明显的使用优越性。 目2 - 3 凹像识别对比法榆测 f i g2 - 3 i m a g e r e c o g n i t i o n m a t c h i n g d e c e c t 2 3图像识别算法 图像分析技术，随着计算机技术的飞速发展，目前有许多成熟的数字图像分 析技术，包括模板匹配方法( 或自动对比) 、边缘检测法、特征值提取法( 一值 图) 、灰度直方图法、傅里叶分析法、光学特征识别法等【5 】，每个技术都有优势和 劣势。模板比较方法通过获得一个物体图像，如片状电容或电感，并用该信息产 生一个刚性的基于像素的模板，在检测位置附近，传感器识别相同的物体，对相 关区域中所有点进行评估之后，在模板与分析的图像之间有最小差别的位置停止 搜寻，系统为每个要检查的物体产生出这种模板，通过在不同位置使用对应的模 块，建立对整个电路板的检查程序，来检查所有待检测的元件。 由于元件检测图像很难完全匹配模板所以模板在定数培的容许误差的基 础上来确认匹配的，如果模板值太僵硬，可能产生对元件的“误报”：如果模板 宽松到接受大范围的程度，也会导致误报。 2 3 1 运算法则 几种流行的数字图像处理技术结合a 一起，希望得到一个运算法则，特别适 合于特殊兀器件类型，在有许多元件的复杂的屯路板上，可能构成众多的不同运 算法则，这就要求工程师在需要改变或调整时做大量的重新编程。例如当个元 件厂商修改一个标准元件时，对该元件的运算法就需要重新调整，新的变化出现， 用户必须调整运算法则来接受这种变化，比如一个0 9 l5 片式电容，可以定义为一 定的尺寸和矩形形状、曲条亮边- l 一问包围较黑色的区域，然后这个外部简单的元 件外形可能变化很明显，传统的、基于运算法则的检测方法往往太过严格，以至 于不能接受对比度、尺寸、形状和阴影的合理变化，甚至不重要的元器件件也可 能难以进行查找和检测，出现有元件而系统却不能发现的“错误拒绝”。还有种 情况就是由于可接受与不可接受图像的差别细小，运算法则不能区分，引起“错 误接收 的可能，真正缺陷却不能发现，为了解决这些问题，用户在图像处理领 域中要有相应的技术，其次是传统的a o i 系统要不断的重新编程，调整a o i 方法 从而接纳合理的变化。 2 3 2 统计建模技术 为克服传统数字图象处理方法的缺点，a o i 采用白适应性性的软件技术，其 设计使用户从运算法则的复杂性中脱身，通过显示一系列要判断为物体的例子， 使用一个数学技术，即统计外形建模技术( s a m ) 来自动计算出怎样判别合理的 图像变化6 1 ，这不同于基于运算法则的方法，统计外形建模技术使用自适应性、基 于知识的软件来分析变量。这样可以减少编程的工作量，降低检测系统的误报率。 2 3 3 柔性化技术 传统的a o i 系统主要依靠识别元件边缘来实现准确和可重复性测量，一旦边 缘确定，往往利用这些边缘的对称模型产生元件在电路板表面上的坐标，但是用 视觉技术很确定边缘，因为元器件的边缘不是完全直线，用一条直线去配合这种 边缘的设想是行不通的，此外，边缘往往倾向于黑色背景上的黑色区域位置，要 精确地确定就会产生像素噪音变量，因为像素不能足够的小，否则很容易产生一 些象素分割带来的影响。基于边缘检测的方法，质量好的视觉系统常会产生标准 偏差大约为十分之一象素的可重复性，而统计外形建模技术能提供标准偏差相当 于二十分之一象素的可重复元件。元件位置上的总变量不大于1 个象素的3 1 0 ， 因此要匹配到3 个元件时，应改进准确度和可重复性。检查个1 特定元件的类型 时，s a m 是灵活的，当重合1 个外形不完全相同的合法元件时，它会在x 轴和y 轴上移动，希望通过位置调节达到最佳吻合，当用一个适当的s a m 模型重合元件 时，只允许实际上可能发生的那些形状，而不要妥协与x 轴和y 轴的位置，比如 那些可以允许的元件颜色变量是因为遮蔽或过渡曝光临近较大元件所引起的，传 统算法则是不可能接纳的，但由于s a m 计算出所允许的图像变更，用户不需要依 靠大量编程的运算法则或供应商提供的运算法则库就可以进行接纳。 6 2 3 4 立体视觉成像技术 传统a o i 系统不能完全接纳p c b 外形，是因为局部弯曲产生的自然立体变化， 现有a o i 系统通常采用远心透镜来从光学上滤除视差与透视的效果，因为高度上 的透视效果被滤除，图像边缘上的物体看上去与中间的物体在同一个平面。这就 在一定程度上消除了光学视差错误，但是应该跟随板表面弧形的点和点之间的测 量成为越过平面弦的直线的距离，引起重要的测量误差且自动删除有关板表面形 状的有价值信息。 通过将s a m 技术与两排摄像机的三维视觉安排相结合，该a o i 系统可测量 和接受物体与表面的高度，而结果在数学上却呈现平直的p c b ，呈一定角度的摄 像机提供物体的两个透视，然后计算p c b 板的高度图形和立体表面拓扑图形，在 板上任何元件的精确位置也结合其在板表面的高度来进行计算，工作时a o i 设备 使用一个标准的传送带在摄像机下面按尺度移动p c b 板通过摄像机组合，将图像 的立体相对排列构成- s t 立体的照相镶嵌图，然后对此立体照相镶嵌图进行合成 变平和实时分析，s a m 技术与立体视觉成像技术的结合具有非常高的精度和可重 复性，可用于重要元件确认和p c b 板检测。 2 4a o i 在各工序中的应用 在s m t 中，a o i 技术具有p c b 空板检测，焊锡膏印刷检测、元器件检测、 焊接后组件检测等功能，在不同环节进行检测时，其侧重点也会所不同。 2 4 1p c b 检测 早期的p c b 加工过程中，检测主要由人工目检结合电检测来进行的，随着电 子技术的发展，p c b 布线密度越来越提高，人工目检难度很大，误判率也越来越， 且对检测者的身体的损害也很大，电检测程序编制比以前更加烦琐，成本也更高， 并且难以检测某些类型的缺陷，因此，a o i 越来越多地应用于p c b 生产中。 p c b 缺陷可大致分为短路( 包括基铜板短路、细的走线短路、电镀短路、尘 埃短路、凹坑短路、重复性短路、污渍短路、干膜短路、蚀刻力度不够短路、镀 层太厚短路、刮擦短路、褶皱短路等) ，开路( 包括重复性的开路、刮擦开路、 真空开路、缺口开路等) 和其他一些可能导致p c b 报废的缺陷( 包括蚀刻过度、 电镀烧焦针孔) 【7 j 。在p c b 生产流程中，基板的制作、覆铜的过程都有可能产生 一些缺陷，但大部分缺陷是在蚀刻之后产生，a o i 一般安排在蚀刻工序之后进行 7 检测，主要用来发现其上缺少的部分和多余的部分。 在p c b 检测中，图像对的比算法应用比较多，且以平面检测为主，其主要包 括数据分析类( 对输入的数据进行初步分析，过滤过小的针孔和残留铜及不需检 查的孔等) ，测量类( 对输入的数据进行特征获取，记录的具有特征代码、尺寸 和方位并与标准数据来比对) 和拓扑类( 用于分析增加或丢失的特征) 。 a o i 能够发现大部分的制作缺陷，同时会存在少量的漏检问题，不过影响其 可靠性的还是误检问题。p c b 加工过程中的粉尘、污渍和一部分元器件的反射性 差都可能造成虚假报警，因此目前在使用a o i 检测出缺陷后，必须进行人工验证。 2 4 2 焊膏印刷检测 焊膏印刷是s m t 加工过程的初始环节，也是大部分缺陷的根源所在，有资料 分析大约6 0 7 0 的缺陷会出现在印刷阶段，如果在生产线的初始阶段排除缺陷， 能够最大限度地减少损失，降低成本，因此，大部分s m t 生产线会在印刷环节配 备a o i 检测系统。 使用立体检测，可以对焊膏形态、厚度进行分析，检查焊膏用量是否合理、 是否有刮擦和拉尖等缺陷，这些缺陷在使用丝网和橡皮刮刀的场合出现的较多， 现在普遍使用不锈钢网板和金属刮刀，焊膏厚度相对稳定，一般不会过多，刮擦 现象也很轻微，重点要关注的是空焊、偏移、沾污和桥连等缺陷。采用平面检测 可以有效地检测这些缺陷，图像对比方法和设计规则检验法都可以使用，检测时 间短，设备价格也比立体检测低，而且在贴片、回流等后续的工序中如果采用a o i 系统，印刷环节考虑到成本问题也可采用平面检测。 2 4 3 贴装检测 元件贴装环节对设备精确度要求比较高，常出现漏贴、偏移、歪斜、极性相 反等缺陷。a o i 系统检测可以检测出上述缺陷，同时还可以在此检测桥连问题和 b g a 元件的焊盘上的焊膏。 由于贴片环节之后紧接着就是回流焊接环节，因此贴装之后的检测有时被称 为回流焊的前端检测，回流焊的前端检测从质量保证的观点来看，由于在同流焊 炉内发生的问题无法检测出而显得没有太大意义，在同流焊炉内，焊锡熔化后具 有自纠正位移的能力，所以焊后基板上无法检查出贴装位移和焊锡印刷状态，然 而实际上回流焊前端的检测是品质保障的重点，回流焊前各个部位的元器件件贴 装状况等在回流焊后无法获取的信息都能一目了然。此时基板上没有不定型的东 8 拙盛奎道点芏亟芏垃监窒q !挂盔筐盘 西，是适合进行图象分析并且通过率非常高，检测过分僵硬而导致的误判的可 能也大大减少。 a o i 检出问题后会发出警报，由操作人员对基板进行确认。缺件问题报告都 可以通过小镊子来纠正，在这一过程中当目测操作员发现出现系统问题的次数 过多时，就会提醒各生产设备负责人确认机器的设定足否合理，信息的反应对生 产质量的保障非常有帮助，可在短时间内实现产品质量的飞跃性提高。 2 4 4 回流检测 可以将a o 系统的作用分为预防问题和发现问题2 种，印刷、贴片之后的检 查归为预防问题，回流焊后的检测属于发现问题在【巳】流焊后端检测过程中，检 测系统能够检测出元器件的缺失、偏移和极性相反等情况，还一定要对焊点的正 确性咀及焊膏是否充分、焊接短路和元器件翘脚等缺陷进行检测，回流焊后端检 测是当前a o i 系统晟流行的选择，此位置能够检测出伞部的装配错误，提供高度 的安全性，图2 - 4 为a o i 系统对回流焊后p c b 的检测图像，该系统采用了3 剥r 不 同的光照模式，分别侧重于焊点，元器件和雷射印刷文字图像的获取。图2 - 5 为刚 流焊后a o i 确定不同类型的缺陷。 潮 潮糊 ( b t f | 埘照明r c ) 懈面麒咐 图2 4 a o i 照明系统 f i g2 - 4 a o il i 曲ts y s t e m 吸圃圜 b 辟琏他) 元件 坏( c ) 兀件篮斟 图2 - 5 a o i 缺陷分析 f i g25 a o id c f e c t a n a l y s i s 2 5a o i 合理安排 a o i 能够在s m t 制作的各个环节起到检查作用，但目前a o i 成本非常高，对 占大多数比例的中小型电子制造厂商来说，为每个焊接环节都配备a o i 系统是不 合适的，因此当一条生产线上只具备一台a o i 系统时，应把它配备哪个环节，这 是非常值得研究的。 2 5 1主导思想 a o i 系统的两种主导思想：缺陷预防和缺陷发现，可取的方法应该是缺陷预 防，按照这种思路，a o i 系统应当放在s m t 生产线的焊膏印刷之后，或者放在元 器件贴装之后，主导思想应该是当缺陷发现时，a o i 系统应当放在回流炉之后， 这是制造工艺中的最后环节，以保证产品质量。 2 5 2 实施目标 应用a o i 系统的两个主要目标在于最终品质的保障和过程跟踪【8 】。最终品质 保障主要集中在产品生产的最终状态，当生产问题非常明确、产品混合度比较高、 数量和速度为制约性因素的时候，优先采用这个目标，设备可以产生大量的过程 控制信息，使用a o i 设备来检测生产过程，典型内容包括明确的缺陷分类和元器 件安防和偏移信息，当产品可靠性高、混合度低、大批量制造和元器件在一定时 间内供应稳定时，应该优先采用这个目标，在线监视生产状况，并为生产工艺的 调整提供必要的数据资料。 2 5 3实施策略 a o i 设备所放置的位置可以实现或阻碍检测同标，不同的位置会产生相应的 过程控制数据。a o i 放置应该由以下因素来决定： 1 特殊的生产问题：如果生产线出现特别的问题，a o i 系统可增加或移动到 对应的位置，分析缺陷，尽早发觉重复性的缺陷。 2 实施目标：对于a o i 系统，没有最佳的位置来检测所有的制造缺陷，如 果应用a o i 的目标是要提高全面的最终生产质量，a o i 系统放在过程的前面可能 没有放在后面的利用价值大，置于前面是为了防止对已有缺陷的产品再增加投入， 此外在过程的早期，维修出现缺陷的产品的投入大大低于最终产品的维修成本。 然后许多缺陷是在生产的后期才出现的，这就表明着不管前面发现多少个缺陷， 发货前还是需要进行全面的视觉检查。 l o 2 5 4 放置位置 实施a o i 系统的关键，是将检测设备放到一个可以尽早识别和纠正尽量多缺 陷的位置，虽然a o i 系统可以安放在生产线上的多个位置，但有3 个检查位置是 最主要的： 1 印刷之后，据分析s m t 中百分之六十到百分之七十的焊点缺陷是印刷时 造成的，如果焊膏印刷过程能够满足要求，就可以大幅度减少后期出现的缺陷。 2 回流焊前，这是一个比较典型的配置位置，因为可以发现来自焊膏以及机 器贴放的大多数缺陷，在这位置上可以产生监控加工过程中的信息，用来修改元 器件贴放或表示贴片机需要进一步校准，满足过程跟踪的需要。 3 回流焊后这是a o i 最普遍的选择，因为在这个位置可以发现全部装配错 误，防止有缺陷的产品流入客户手中，回流焊后检测能够提供更全面的安全性， 它可检测出由焊膏印刷、元器件贴装和回流过程引起的错误，保证最终品质目标。 2 6 o p e n c v 简介 o p e n c v ( o p e ns o u r c ec o m p u t e rv i s i o n l i b r a r y ) 是由i n t e l 公司开发的一种用于 数字图像处理和计算机祧觉的开源函数库，可以从i n t e l 公司的官方网站免费下载 得到。o p e n c v 由i n t e l 微处理器研究实验室( i n t e l sm i c r o p r o c e s s o rr e s e a r c hl a b ) 的视觉交互组( t h ev i s u a li n t e r a c t i v i t yg r o u p ) 来负责。o p e n c v 目前支持w i n d o w s 和l i n u x 两种操作系统。o p e n c v 由一系列c 函数和少量c + + 类库组成，实现了图 像处理和计算机视觉方面的很多通用算法。在进行数字图像处理或计算机视觉处 理时，只需要调用o p e n c v 的基础函数库，并添加自己编写的程序，即可完成十 分复杂、庞大的开发任务，达到事半功倍的效果。 2 7本章小结 本章介绍了自动化光学检测a o i 系统在s m t 领域内的应用，同时介绍了机器 视觉领域内比较有影响的开源程序库o p e n c v 。 3 系统硬件平台设计 3 1运动控制器 3 1 1 运动控制器的发展 运动控制这个名词最早起源于早期的伺服控$ 1 j ( s e r v om e c h a n i s m ) 。简单地说， 运动控制就是对机械运动部分的位移、速度等进行实时的控制管理，使其按照预 先设定的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。早期的运动控制技术主要是和数 控( c n c ) 技术、机器人技术( r o b o t i c s ) 和产线自动化技术的一起发展而发展的。 早期的运动控制器实际上是可以独立运行的专用定做的控制器，大部分不需要其 它处理器和操作系统支持，可以独立完成运动控制功能、工艺技术要求的其他功 能和人机对话功能。这类控制器可以称为独立运作( s t a n d a l o n e ) 的运动控制器。 这类控制器主要为专门的数控机械和其他自动化设备而设计，大部分已根据应用 行业的工艺要求定做了相关的功能，用户只需要按照其协议要求设计相应的应用 加工代码文件，利用串口方式传输到控制器，控制器即可进行相关的动作。这类 控制器大部分不能离开其既定的工艺要求而跨行业应用，控制器的开放性只能依 赖于控制器的加工代码协议，用户不能根据应用要求而重新组织自己的运动控制 系统。因而通用运动控制器的发展就成为市场的必然需求。由国家组织的开放式 运动控制系统的研究工作开始于1 9 8 7 年，美国空军在美国政府支持下提出了著 名的“n g c ( 下一代控制器) 研究计划”，该计划首先明确了开放体系结构控制 器的概念，其中这个计划的重要内容之一就是提出了“开放系统体系结构标准规 格( o s a c a ) ”【9 1 。从1 9 9 6 年开始，美国几个著名的科研机构对n g c 计划分别发 表了不同的研究内容，例如在美国海军支持下，美国国际标准研究院提出了“e m c ( 增强型机床控制器) 的概念；由美国通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司发 表了“o m a c ( 开放式、模块化体系结构控制器) ”构想，其目标是用更开放、 更加模块化的控制结构使制造加工系统更加柔性和更加敏捷。该计划启动后不久 便发表了名为“o m a ca p t 的规范，同时促进了一系列相关研究项目的运行。 通用运动控制器作为自动化技术的一个重要分支单元，在2 0 世纪9 0 年代，发达 国家，例如美国便进入快速发展的阶段。由于有市场的强烈需求，通用运动控制 器行业发展迅速，应用广泛。近年来，随着通用运动控制技术的不断提高和完善， 通用运动控制器已经作为一个独立的工业自动化控制类产品，被越来越多的产业 1 2 领域认识和应用，并且已经达到一个很大的市场规模。根据近期的一份研究表明， 世界通用运动控制( g e n e r a lm o t i o nc o n t r o lg m c ) 市场已超过4 0 亿美元，并且 很能会在未来5 年内综合增长率达到6 3 。 3 1 2 通用控制器分类 通用运动控制器从实现上主大致分为三大类：基于计算机标准总线的运动控 制器，s o f t 型开放式运动控制器，嵌入式结构的运动控制器。 基于计算机标准总线的运动控制器，它是把具有开放体系结构，独立于计 算机的运动控制器与计算机相结合构成。这种运动控制器大都采用d s p 或微机芯 片作为c p u ，可完成运动规划、高速实时插补、伺服滤波控制和伺服驱动、外部i o 之间的标准化通用接口功能，它开放的函数库可供用户根据不同的需求，在d o s 或w i n d o w s 等操作系统下自行开发应用软件，组成各种控制系统。如美国d e l t a t a u 公司的p m a c 多轴运动控制器和固高科技( 深圳) 有限公司的g t 系列运动控制 器产品等。目前这种运动控制器是市场上的主流产品。 s o f t 型开放式运动控制器，它提供给用户最大的灵活性，它的运动控制软 件全部装在计算机巾，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部i 0 之间的标准化 通用接口。就像计算机中可以安装各种品牌的声卡、c d r o m 和相应的驱动程序 一样。用户可以在w i n d o w s 平台和其他操作系统的支持下，利用开放的运动控制内 核，开发所需的控制功能，构成各种类型的高性能运动控制系统，从而提供给用 户更多的选择和灵活性。基于s o f t 型开放式运动控制器开发的典型产品有美国 m d s i 公司的o p e nc n c 、德国p a ( p o w e ra u t o m a t i o n ) 公司的p a 8 0 0 0 n t 。美国 s o f ts e r v o 公司的基于网络的运动控制器和固高科技( 深圳) 有限公司的g o 系 列运动控制器产品等【10 1 。s o f t 型开放式运动控制的特点是开发、制造成本相对较 低，能够给予系统集成商和开发商更加个性化的开发平台。 嵌入式结构的运动控制器，这种运动控制器是把计算机嵌入到运动控制器 中的一种产品，它能够独立运行。运动控制器与计算机之间的通信依然是靠计算 机总线，实质上是基于总线结构的运动控制器的一种变种。对于标准总线的计算 机模块，这种产品采用了更加可靠的总线连接方式( 采用针式连接器) ，更加适 合工业应用。在使用中，采用如工业以太网、r s 4 8 5 、s e r c o s 、p r o f i b u s 等现 场网络通信接口联接上级计算机或控制面板。嵌入式的运动控制器也可配置软盘 和硬盘驱动器，甚至可以通过i n t e m e t 进行远程诊断【i 。例如美国a d e p t 公司的 s m a r t c o n t r o l l e r ，固高科技公司的g u 嵌入式运动控制平台系列产品等。 1 3 3 2 在线检测系统 在线检测系统由卤素灯光源、c c d 摄像机、嵌入式运动控制器和6 自由度支 架组成。卤素灯光源通过玻璃光纤与变焦镜头连接，实现同轴照明方式，便于观 察焊点状态。c c d 摄像机通过6 自由度支架与工作台连接，便于调节成像系统与 工作台的相对位置。 同高科技( 深圳) 有限公司的嵌入式运动控制器可以实现多轴连续轨迹运动 和高速点位运动，并且提供丰富的外部接口，如：键盘、鼠标、u s b 、v g a 、c o m 、 以太网等标准p c 接口，还提供l i n u x 下的动态链接库，实现复杂的控制功能。开 发人员能够将这些控制函数与自己控制系统所需的数据处理、界面显示、用户接 口等应用程序模块集成在一起，搭建符合特定应用要求的控制系统，以适用于各 种运动控制应用领域。 基于此，本项目选用的是固高科技( 深圳) 有限公司的嵌入式控制器，该运 动控制器硬件上主要由嵌入式处理器$ 3 c 2 4 1 0 和4 轴运动控制芯片m c x 31 4 、存 储芯片以及接口芯片构成。c c d 摄像头采集待检测焊点的图像信息，传递给 $ 3 c 2 4 1 0 主处理器，$ 3 c 2 4 1 0 经过对图像进行边缘检测，分析待检测焊点是否焊 接成功，如果不成功，就发信息给m c x 3 1 4 重新进行焊接，结构框图如图3 1 所 示。 图3 1 嵌入式运动控制器结构 f i g 3 - 1 e m b e d d e dc o n t r o l l e rs t r u c t u r e 1 4 韭立窑堑盘芏亟堂僮适塞亟荭理扯壬盘鲢盐 电路罔如图3 - 2